富士時報 Vol.71 No.2 1998 大容量車両用・産業用平形 IGBT 一條 正美（いちじょう まさみ） 関 康和（せき やすかず） 西村 孝司（にしむら たかし） まえがき 本稿では EMB1801RM-25 に採用した技術ならびに性能 について説明し，開発中の EMB1805RM-25 についても概 富士電機は，電気鉄道や産業用の各種の高電圧・大容量 要を紹介する。 変換装置への IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor） 大容量化技術 適用の要求にこたえるため，高耐圧・大電流 IGBT の開発 を積極的に推進している。このようななか先般は，図１に 示す 2.5 kV/1 kA 定格の平形 IGBT（一般形式： EMB1001 ２.１ 大面積チップの実用化 ）を開発し，各種変換装置への適用を推進してきた。 EMB1001RM-25 の開発においては，20 × 20（mm）の IGBT のコレクタ電流定格は直流定格で表現されるが， 大面積 IGBT チップとダイオードチップを開発して搭載し GTO（Gate Turn- Off）サイリスタの可制御アノード電流 た が ， 今 回 の EMB1801RM - 25 で は ， さ ら に 大 き な と比較する場合にはパルス定格で比較するのが妥当である。 27.5 × 27.5（mm）の IGBT およびダイオードチップを開 2.5 kV/1 kA の IGBT の 電流定格 は， 2 kA の GTO サイリ 発し搭載した。 RM-25 スタに匹敵することになる。 また， EMB1001RM-25 用 の 20 × 20（ mm）のチップ しかしながら， GTO サイリスタではすでに 4 kA の 電 を開発する際に，MOS ゲートデバイスでは初めての富士 流定格の素子が実用化されており，この電流定格に匹敵す 電機独自のリペア技術も併せて開発し，この技術を新チッ る IGBT の実用化を望む声が高まりつつあった。 プにも用いて不良部分を除去することにより，高良品率を このような 状況下 ， 富士電機 は 先 に 開発 した 2.5 kV/1 実現した。 kA 平形 IGBT の 技術 をさらに 発展 させて， 27.5 × 27.5 図２に，従来の 20 × 20（mm）と今回開発した 27.5 × （ mm）の 大面積 チップの 実用化 ，デバイス 構造 の 最適化 27.5（ mm）の IGBT およびダイオードのチップ 外観 を 示 などにより，小形のパッケージで 2.5 kV/1.8 kA の定格を 持 つ 平形 IGBT（ EMB1802RM-25 す。 ， 一般形式： EMB1801 （株）700 系新幹線先行試 RM-25）を開発し，東海旅客鉄道 作車用主変換装置（TCI2）に搭載した。 ２.２ チップおよびセル構造の最適化 今回開発した 27.5 × 27.5（mm）の IGBT チップは従来 現在，富士電機では今春の完成を目標に，さらなるコス の 20 × 20（mm）の IGBT チップに比較して面積でおよ トパフォーマンスの 向上 を 目的 とした 改良形平形 IGBT そ 1.9 倍 で あ る 。 今 回 開 発 し た 27.5 × 27.5 （ mm ） の （EMB1805RM-25，2.5 kV/1.8 kA）を開発中である。 IGBT チップでは，デッドスペースになっていた部分を見 直すことにより，さらに電流を流しやすい構造へと改善し 図１ 2.5 kV/1 kA 平形 IGBT（EMB1001RM-25）の外観 た結果，20 × 20（mm）の IGBT のおよそ 2.7 倍の電流定 格 ［ 20 × 20 （ mm ） チ ッ プ ： 110 A に 対 し て 27.5 × 27.5 （ mm ）チップ ： 300 A］とすることができた。これ により，コンパクトなパッケージサイズで大容量素子を実 現した。 また，セル構造の最適化やキャリヤの注入効率および輸 送効率の最適化を図ることにより，IGBT のトレードオフ の改善を実現した。 図３に，IGBT のコレクタ - エミッタ間飽和電圧（VCE（sat）） 一條 正美 関 康和 西村 孝司 電力変換装置 の 研究開発 に 従事 。 半導体デバイスの研究開発に従事。 現在 ， 松本工場半導体開発 セン （株） 富士電機総合研究所先 現在， ターパワー半導体開発部主席。 端デバイス研究所パワーデバイス パワーデバイスの研究開発に従事。 現在 ， 松本工場半導体開発 セン ターパワー半導体開発部。 グループ研究マネージャー。工学 博士。 123（29） 富士時報 大容量車両用・産業用平形 IGBT Vol.71 No.2 1998 表１ EMB1801RM - 25の定格および特性 図２ チップの外観 （a）最大定格（ T j ＝25 ℃） 項 目 記号 コレクタ - エミッタ間電圧 I CES ゲート - エミッタ間電圧 I GES 定格 単位 2,500 V ±20 V IC 1,800 −IC 1,800 I C（pulse） 3,600 − I C（pulse） 3,600 直 流 コ レ ク タ 電 流 A パ ル ス コ レ ク タ 電 流 27.5×27.5（mm） A 20×20（mm） （a）IGBTチップ 最 大 コ レ ク タ 損 失 PC 10,500 W 接 度 Tj 125 ℃ 力 − 35∼50 kN 合 部 圧 温 接 （b）電気的特性 27.5×27.5（mm） 20×20（mm） （b）ダイオードチップ 図３ IGBT のトレードオフ比較 2,000 Vcc＝1,300V C T j＝125° 項 目 記号 試験条件 コレクタ エミッタ間 遮 断 電 流 I CES ゲート エミッタ間 漏 れ 電 流 I GES ゲート エミッタ間 しきい値電圧 V GE（th） V CE ＝20 V I c ＝1 A コレクタ エミッタ間 飽 和 電 圧 VCE（sat） ダイオード 順 電 圧 VF E off（mJ） ターンオフ損失 1,800 2.5kV/1.8kA パワーパック IGBT I c＝1,800A 測定 ターンオン 特 性 1,600 ターンオフ 特 性 1,400 逆回復特性 t on tr t off tr t rr 1,200 最小 標準 最大 単位 V GE ＝0 V V CE ＝2,500 V T j ＝125 ℃ − − 50 mA V CE ＝0 V V GE ＝±20 V − − ±10 4.0 − 8.0 V V GE ＝15 V I C ＝1,800 A T j ＝125℃ − − 4.8 V V GE ＝0 V I F ＝1,800 A T j ＝125 ℃ − − 3.3 V V CC ＝1,300 V I C ＝1,800 A T j ＝125 ℃ − 3.6 − s − 2.5 − s V CC ＝1,300 V I C ＝1,800 A T j ＝125 ℃ − 3.6 − s − 1.0 − s − 1.0 − s −di / dt ＝2,500 A/ s I F ＝1,800 A T j ＝125 ℃ A （c）熱特性 1,000 項 目 2.5kV/1.0kA パワーパック IGBT I c＝1,000A 測定 熱抵抗 800 3.5 4.0 4.5 5.0 記号 IGBT R th（j-f） Di R th（j-f） 試験条件 両面冷却 最小 標準 最大 − − 0.010 − − 0.019 単位 ℃/W VCE(sat)（V） 飽和電圧 とターンオフ 損 失 （ E off）のトレードオフ 関 係 を EMB EMB1801RM-25 の性能 1001RM-25 と EMB1801RM-25 を 比較 して 示 す。 図３ は， 125 ℃の接合温度におけるトレードオフ曲線であるが，同 じ VCE（ sat） の 条件 での Eoff を 比較 すると， 例 えば VCE（ sat） ３.１ 最大定格および特性 EMB1801RM-25 の最大定格および特性を表１に示す。 が 4.4 V の条件では，EMB1001RM-25（2.5 kV/1 kA 素子） が 1,100 mJ， EMB1801RM- 25（ 2.5 kV/1.8 kA 素子 ）が 1,400 mJ である。 EMB1801RM-25 の VCE ・ IC 特性および VF ・ IF 特性を 1.8 kA 素子 は， 電流定格 を 1 kA 素子 の 1.8 倍 にしたに もかかわらず Eoff の 増加 は 1.3 倍 と 低 く 抑 えられている。 このように， ３.２ 飽和電圧特性 図 ４ に 示 す よ う に ， EMB1801RM - 25 の直流定格電流 EMB1001RM- （ 1,800 A ）でのコレクタ エミッタ 間飽和電圧 は ， EMB 25 の 技術 をベースに，さらに 高性能化 を 達成 したチップ 1001RM-25 の直流定格電流（1,000 A）での値と同等であ を搭載している。 る。また，双方とも，接合部温度が高くなるとコレクタ - エ 124（30） EMB1801RM-25 は，従来の EMB1001RM- 25 と 比較 しながら 図４ および 図５ に 示 す。 - 富士時報 大容量車両用・産業用平形 IGBT Vol.71 No.2 1998 図４ V CE(sat) - I C 特性 図６ ターンオン波形（1,800 A，125 ℃） 2,000 1,800 VGE＝20 V/div EMB1801RM Tj＝25℃ Tj＝125℃ 0 I c（A） コレクタ電流 1,600 1,400 I C ＝500 A/div 1,200 EMB1001RM 1,000 800 600 0 VCE ＝1,000 V/div 400 200 0 0 1 s /div 1 2 3 4 5 6 VCE(sat)（V） 飽和電圧 図７ ターンオフ波形（1,800 A，125 ℃） 図５ V F - I F 特性 0 2,000 1,800 VGE＝20 V/div EMB1801RM Tj＝25℃ Tj＝125℃ 1,600 VCE ＝500 V/div I F（A） 順電流 1,400 1,200 EMB1001RM 1,000 I C ＝400 A/div 0 800 600 1 s /div 400 200 0 0 図８ ターンオフ波形（4,000 A，125 ℃） 1 2 3 4 5 VF（V） 順電圧 0 VGE＝20 V/div ミッタ間飽和電圧が上昇する傾向を有しているが，これは 素子の並列接続を行う場合に電流分担の自己調整機能とし て作用するので有利である。 VCE ＝500 V/div ３.３ スイッチング特性 ３.３.１ ターンオン特性 IC ＝1,000 A/div 0 EMB1801RM-25 のターンオン時の動作波形例を図６に 示 す。 図６ は 負荷電流 が 1,800 A の 場合 の 波形 であるが， 1 s /div IGBT にはフリーホイーリングダイオードの逆回復電流が 重畳して流れるので，そのピーク値は 2,900 A 程度になる。 この条件下でのターンオン時間は 3.2 μs である。 持ってクリアしている。 ３.３.２ ターンオフ特性 EMB1801RM-25 の直流定格電流（1,800 A）を遮断した 外 形 ときの 動作波形例 を 図７ に， 4,000 A を 遮断 したときの 動 作波形例 を 図８ に 示 す。 直流定格電流 を 遮断 したときの ターンオフ時間は 2.4 μs である。 図９に EMB1001RM-25 と EMB1801RM-25 の外観を示 す。図１０に EMB1801RM-25 の外形を示す。EMB1801RM-25 また， 4,000 A の 電流 をスパイク 電圧 2,400 V の 条件 で は 140 × 140（mm）の小形の正方形のパッケージに収納 遮 断 で き て お り ， パ ル ス 電 流 定 格 （ 3,600 A ） ま で の されている。 EMB1001RM-25 と 比較 すると， 約 1.3 倍 の RBSOA （ターンオフ 時安全動作領域 ）を 十分 に 余裕 を パッケージサイズで 1.8 倍の電流容量を達成したことにな 125（31） 富士時報 大容量車両用・産業用平形 IGBT Vol.71 No.2 1998 図９ EMB1001RM-25 と EMB1801RM-25 の外観 図１２ 主変換装置の外観 図１０ EMB1801RM-25 の外形 図１３ 主変換装置の回路構成 PWM インバータ 92.4 0.2 138 2 20 3.5深2 1000 10 2 140 1 98 0.5 88.8 0.1 EMB1801RM-25 M1 M2 PWM コンバータ M3 6.8 6.8 5 20 0.5 赤白 5 92.4 0.2 138 2 6 M4 10 質量 : 約1,900g 使用されている。 TCI2 では， IGBT ならびに 3 レベル 主回路構成 の 採用 による低騒音化や制御性能の向上，そして大容量素子の採 図１１ 新幹線 700 系先行試作車の外観 用による主回路構造の簡素化などが図られている。 改良形 EMB1805RM-25 現在開発中の EMB1805RM-25 は，EMB1801RM-25 と ほぼ同一の外形，電気的・熱的性能を持ちながら，チップ の改良やパッケージ内部構造の改良などによって，素子組 立性の向上やコストの低減をめざした素子である。 また，EMB1001RM-25 や EMB1801RM-25 では，チッ プと接するエミッタ側のモリブデン電極に島形状のものを 用いていたが，EMB1805RM-25 ではこれをフラットなも のとし，これに合わせてチップも改良したので，エミッタ 側の接触面積が増え，以前より高い加圧力（スタック構成 る。 時）を許容できるようになっている。 EMB1801RM- 25 の 許 容 最 大 加 圧 力 は 5 t であるが， 応用例 EMB1805RM-25 では 6 t まで許容できると推定している。 この最大許容加圧力は，特に一つのスタックに多数個の 東海旅客鉄道 （株）は，乗り心地の改善や対環境性の向上 素子を直列接続する用途（高電圧変換装置）では重要であ などを目的として，IGBT を採用した新幹線 700 系先行試 り，EMB1805RM-25 は，このような用途へも適した性能 作車（ 図１１）を開発した。 を有する素子である。 この 主変換装置 （ TCI2）の 外観 を 図１２に， 回路構成 を あとがき 図１３に示す。 TCI2 には， 1 台 のコンバータと 1 台 のインバータが 使 用 されている。 双方 とも 3 レベル 構成 を 採用 しており， EMB1801RM-25 126（32） 相当品 （ EMB1802RM-25 ）が 1 並列 で 2.5 kV/1.8 kA の定格を有する平形 IGBT（ EMB1801RM25）に採用した技術ならびに性能，そして応用例について， 富士時報 大容量車両用・産業用平形 IGBT Vol.71 No.2 1998 さらに開発中の EMB1805RM-25 の概要について述べた。 である。 これらの素子は，2.5 kV クラスでは世界最大の電流定格 を有しており，その実用化によって，大容量の変換装置を 素子の並列接続なしに構成できるようになる。 参考文献 （1） 一條正美 ほか ：可変速駆動装置用 パワーデバイスの 動向 ， しかしながら，4.5 kV の GTO サイリスタに置き換える 富士時報，Vol.68，No.12，p.682- 686（1995） には 3 レベル主回路構成の採用あるいは素子の直列接続な （2 ） 関康和ほか： 2.5 kV/1 kA 平型逆導通 IGBT（パワーパッ どが必要であり，今後は，より高い耐圧の IGBT の実用化 ク IGBT），富士時報，Vol.69，No.5，p.290- 294（1996） を望む声が一段と強くなると思われる。 （3） Takahashi, Y. et al.： Ultra high- power 2.5 kV- 1.8 kA 3 レベル 主回路構成 での 適用 が 進展 している 状況 を 鑑 Power Pack IGBT. 1997 IEEE International Symposium （かんが）みると，これから開発する素子に対しては，高 on Power Semiconductor Devices and ICs. p.233- 236（1997） 耐圧でしかもより高速の素子が望まれることになり，要求 （4 ） Seki, Y. et al.：Ultra high-ruggedness of 2.5kV/1kA Power される技術レベルはきわめて高いものになるが，富士電機 Pack IGBT. 7th European Conference on Power Electronics は，その実現に向けてたゆまぬ努力を積み重ねていく所存 and Applications. Vol.2，p.2.049- 2.053（1997） 技術論文社外公表一覧 標 題 所 属 氏 名 光触媒による NOx 除去プロセスの検討 富士電機総合研究所 〃 〃 西方 聡 西村 智明 天野 功 光触媒の閉鎖系への適用に関する検討 （2 ） 富士電機総合研究所 〃 〃 西村 智明 西方 聡 天野 功 ZnO バリスタ 単一粒界 の 定量的 ICTS 解 析 富士電機総合研究所 〃 田中 顕紀 向江 和郎 燃料電池の概要 富士電機総合研究所 西原 啓徳 富士電機 における 平板型 SOFC の 開発状 況 富士電機総合研究所 〃 〃 〃 〃 〃 〃 小関 和雄 新藤 義彦 後藤平四郎 角川 功明 竹野入俊司 岩崎 慎司 中原ゆかり 半導体を用いた無誘導解消型電力用限流器 ーーー三相系への拡張ーーー 富士電機総合研究所 〃 磯崎 優 森田 公 コジェネ発電設備の商用系統連系点への限 流器適用効果の検討 富士電機総合研究所 〃 産業システム事業部 機器制御事業部 磯崎 優 岩井 弘美 小寺 昭紀 石川 煕 壱岐 浩幸 富士ファコムシステ 発 表 機 関 光機能材料研究会第 4 回シンポジウム光触媒反応 の最近の展開（1997–12） 日本 Material Research Society（MRS）学術シ ンポジウム（1997–12） 日本電機工業会第 18 回新エネルギー講演会 （1997–12） SOFC 研究発表会（1997–12） 電気学会静止器研究会（1997–12） ム 西川 幸廣 五十嵐征輝 黒木 一男 電気学会半導体電力変換研究会（1998 –1） 銅−アルミ超音波圧接部における金属間化 合物の成長に伴う信頼性検討 富士電機総合研究所 〃 〃 山崎 和昭 北見 彰 橋本 信行 溶接学会マイクロ接合研究委員会第 4 回シンポジ ウム（1998 –1） 表面磁石構造 PM モータを 用 いた 駆動 シ ステムの高性能制御方式 富士電機総合研究所 〃 変電システム製作所 佐藤 芳信 藤田 光悦 柳瀬 孝雄 木下 繁則 日本電動車両協会（1998 –1） 微小角入射 X 線回折による Co 系面内磁気 記録媒体の構造評価 （2 ） 富士電機総合研究所 〃 〃 〃 大沢 通夫 広瀬 隆之 小沢 賢治 簡易回生形ソフトスイッチング回路 第 11 回日本放射光学会年会・放射光科学合同シ ンポジウム（1998 –1） 127（33） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。
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